Variable-Flux Outer-Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor for In-Wheel Direct-Drive Applications

In-wheel direct-drive is the most efficient driving mode for electric vehicles,and it is the trend for applications in the future.In this paper,a novel variable-flux outer-rotor permanent magnet synchronous motor with a hybrid magnetic structure design is developed.Due to the hybrid magnetic pole with Nd-Fe-B and Al-Ni-Co permanent magnet(PM),the air-gap flux can be adjusted by changing the magnetization states of Al-Ni-Co PM,which is beneficial to realize a wide range of speeds and loads from the electromagnetic structure design.Firstly,basic structure features of the motor and the flux-adjusting principle are introduced.The design and calculation method of the PM dimensions is derived based on magnetic circuit analysis.Then the Preisach hysteresis model of Al-Ni-Co PM is described and is adopted to analyze the motor performance with the coupling of the time step finite element method(FEM),and the magnetization are investigated.Finally,the operational performance of the proposed motor is obtained by simulation,which verifies the design.

基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步直线电机等效机械参数辨识策略

针对机械参数辨识精度受推力系数波动影响而降低的问题,提出等效机械参数模型,将推力系数与待辨识参数相结合,并推导该模型在控制器调谐和前馈补偿上与传统模型的等效性。为了进一步实现等效机械参数在线辨识,构建基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的辨识器。混合自适应扩展卡尔曼滤波在系统噪声矩阵和渐消因子中加入自适应机制,能够估计系统噪声,并在负载突变时快速收敛。通过对系统可观性和矩阵正定性的推导,证明算法的稳定性。最后,在一台永磁同步直线电机上进行实验,验证所提算法的有效性及其在PWM周期为32 kHz和10 kHz时在线运行的可行性。

一种PMSM位置伺服系统的动态建模与控制

本文根据永磁同步电机(PMSM)的基本电磁关系及其动态数学模型建立了位置伺服控制模型,按照闭环负反馈控制原理,设计了具有电流、速度、位置三闭环的位置控制系统。首先,根据PMSM矢量控制的特性,利用3S/2S和2S/2R的坐标变换理论,建立了位置伺服系统在同步坐标系下的动态数学模型,同时给出了按照转子磁场定向的位置控制策略和算法;其次,研究了基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的数字实现,并根据电机的数学模型,在MATLAB/Simulink环境中构建了三环模型,同时搭建了基于DSP实验样机。在仿真和实验中直轴、交轴以及速度和位置均采用PI控制,在控制参数的整定过程中,遵循先内环(电流环),后速度环,再位置环的增量调试原理,实现了同步电机的位置闭环控制;最后,对仿真结果和试验结果进行了对比分析,说明了模型的正确性和有效性。

基于Modelica的交流伺服控制系统建模与仿真

永磁同步电机(PMSM)在交流伺服系统中应用十分广泛,其数学模型具有非线性、多变量、强耦合的特点。为提高建模与分析效率,并兼顾PMSM模型在复杂多领域系统中的通用性等问题,提出一种基于Modelica的交流伺服控制系统的建模方法。采用模块化建模与Modelica语言实现了PMSM的非因果建模,在MWORKS平台建立了伺服系统的仿真模型,并在位置控制、速度控制方面测试了3类典型工况。实验表明,所提方法跟随误差小、动态响应快,验证了建模方法和系统模型构建的正确性和合理性,为伺服控制系统和多领域建模与仿真技术的发展提供了新思路。

巡检机器人伺服控制永磁同步电机初始位置辨识方法

针对定位法识别永磁同步电机转子初始位置误差大,影响伺服控制对永磁同步电机的控制精度,导致变电站巡检机器人定位偏差大的问题,提出一种基于最大电流法的转子初始位置辨识方法,并应用到变电站巡检机器人伺服控制系统。以巡检机器人为测试对象,验证提出辨识方法的控制精度。测试结果显示,最大电流法的误差绝对值小于5电角度,能有效解决永磁同步电机堵转、失步和超步问题,具有较好的稳定性和可靠性。

基于自抗扰的永磁直驱伺服电机扰动抑制技术研究

针对永磁直驱伺服电机系统控制设计了转速环ADRC。ESO可以实时观测系统扰动并在控制量中进行实时补偿,使得系统在负载变化时具有较强的适应能力,提高了系统的动态性能。针对PI调节器中电流环d,q轴耦合无法实现对电流指令准确追踪的问题,进一步设计了电流环ADRC,可以对转速环的输出电流指令进行快速准确的追踪,使得系统响应时间缩短,在负载突变后具有更快的反应速度,从而提升系统扰动抑制能力。实验结果表明,自抗扰控制策略可以有效地抑制转矩扰动的影响,提升永磁直驱伺服电机系统控制性能。

基于PI-Lead控制的永磁同步电机双环位置伺服系统

为提高位置伺服系统轨迹跟踪精度及极限带宽,该文研究了一种位置-电流双环伺服结构,其位置控制采用结合相位超前环节的比例积分控制器(PI-Lead)。首先,探讨了P-PI-PI和PI-P-PI两种传统三环位置控制结构在轨迹跟踪精度上存在的局限,研究了速度前馈提升精度的机理及问题;然后,证明了PI-Lead双环结构相位超前环节对维持系统稳定的意义,详细分析了低通滤波器对系统性能的影响及其参数设计方法,给出了PI-Lead双环位置伺服系统基于闭环频域指标的参数整定策略;最后,对比分析了双环结构与传统三环结构的特点,推导了三种结构的位置极限带宽。实验结果表明,PI-Lead双环结构无需任何前馈补偿即可基本消除系统动态跟踪误差,并具有更高的位置环极限带宽。此外,由于减少了速度控制环节,其无需速度测量且参数整定更加简单。

基于前馈补偿的永磁直驱电机低速抗扰动滑模控制策略

研究了一种基于前馈补偿的永磁直驱伺服电机低速抗扰动滑模控制策略,用以提高低速运行时速度控制的稳定性。通过调整不同系统状态下的滑模面趋近速度,构造了一种新型指数趋近率函数,使得系统在滑模面附近切换更加平滑;为了提升负载突变等恶劣工况下系统的扰动抑制能力,引入降阶扰动观测器对系统受到的转矩扰动进行观测,并进行前馈补偿,通过前馈补偿与改进趋近率组合的方式提高系统的鲁棒性。仿真和实验结果表明,该控制策略对永磁直驱伺服电机低速运行时的多种扰动具有明显抑制效果。

线控转向电机自抗扰伺服控制系统研究

选择永磁同步电机作为转向电机,研究基于自抗扰控制器的电机伺服控制技术。首先,对永磁同步电机在旋转交直轴坐标系下的数学模型进行介绍,选择转子磁场定向矢量控制策略。其次,将电机位置、速度环整合,设计了一个二阶自抗扰控制器,减少电机内外扰动的影响,抗干扰能力较PID控制器有较大提升。针对二阶自抗扰控制参数众多、调节困难的问题,利用模糊算法对自抗扰控制器的非线性状态反馈控制器参数进行优化,设计了永磁同步电机伺服控制系统位置速度模糊自抗扰控制器。最后,在Simulink中搭建电机控制模型并进行仿真分析,验证本文中控制策略以及算法优越性。

双定子盘式横向磁通永磁同步电机的原理分析与转矩脉动抑制

小型化是推动伺服电机技术进步的重要研究方向。通过研究提出具有转矩密度高、空间设计灵活优势的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机,实现电机设计的高度集成化,减小电机驱动系统体积。设计一台额定功率5.4 kW、额定转速3 000 r/min的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机,分析电机的主要电磁性能。为减小电机转矩脉动,提出齿极设计参数优化以及不对称定子盘结构两种手段,进一步研究不对称定子盘结构对电机转子结构强度的影响。实验验证了该电机的可行性以及主要性能参数。

基于BP神经网络PID的水下无人航行器舵机驱动智能控制系统

针对传统PID在处理复杂非线性系统时不能重新整定参数造成舵机控制精度无法满足要求,提出一种基于BP神经网络PID控制器的电机调速系统。该系统引入动量项,减少震荡,在面对复杂非线性系统时,可以实时调节整定PID参数,通过控制电机转速,调节舵机转角进而控制水下航行器的姿态。Matlab/Simulink建模仿真结果表明:基于BP神经网络PID的永磁同步电机调速系统相较于传统PID控制器,具有更好的动态响应特性和更强的抗干扰能力,对水下航行器的舵机控制有一定的参考价值。

永磁同步伺服电动机研究

针对人们对伺服电动机在概念认知上的模糊与混乱现象,文章从控制工程角度给出关于伺服电动机的一个统一定义。另外,就三相永磁同步伺服电动机与直流无刷电动机的关系与区别进行了剖析,将这两种伺服电动机统一到永磁同步伺服电动机这个类属之中。

改进自抗扰的PMSM双环伺服系统控制研究

永磁同步电机(PMSM)在电机参数本身变化和外部负载干扰等复杂环境下,传统控制方法无法满足伺服系统对于精度高、抗扰性强和稳定性好的要求。针对该问题,提出一种改进自抗扰(ADRC)的双环控制策略。结合PMSM控制模型和ADRC参数在PMSM中的实际物理意义,设计了改进扩张状态观测器(ESO)的二阶非线性自抗扰控制器实现对位置和速度的联合控制,简化了控制结构以提高伺服系统响应速度,设计了一阶线性自抗扰控制器实现对电流的控制,减小其对外环的影响以进一步提高伺服系统对高性能要求,给出了双环控制器一整套参数整定方法。在MATLAB/Simulink上的仿真实验结果表明,相较于标准ESO,改进ESO更加遵循实际,整个控制策略对于负载扰动和参数摄动表现出很好的抗扰性能和控制精度。研究结果表明,该控制策略能够有效满足PMSM伺服控制系统对高性能的要求。

永磁伺服电机复合模型预测控制

永磁电机效率和功率密度高、力矩和惯量比大,是工业伺服领域的主流电机。伺服控制技术是充分发挥永磁电机优势、提升伺服系统运行性能的关键。目前,永磁伺服系统多采用多环级联的比例-积分(PI)控制器,但由于积分器的滞后效应,PI动态响应速度较慢,抗干扰能力较差,难以满足机械臂、精密加工等高性能伺服控制的动、静态性能要求。因此,提出一种广义模型预测控制与有限集模型预测控制相结合的复合模型预测控制策略。此外,还提出一种广义模型预测控制的低运算量实现方法及一种机械参数估计方法。试验结果表明,所提复合模型预测控制可提高永磁伺服电机的动态响应速度和抗负载扰动能力。

表贴式永磁交流伺服电机齿槽转矩优化分析

齿槽转矩由永磁电机中的永磁体和有槽电枢铁心相互作用产生。基于能量法和有限元仿真分析了永磁体极弧系数对电机齿槽转矩的影响,计算选取出最优极弧系数,通过调整磁极偏心距离进一步降低齿槽转矩,将仿真结果与样机测试数据进行对比证实了优化方案的可行性。结果表明,合理选取极弧系数并结合磁极偏心的方法可以有效降低齿槽转矩。

基于磁外科理念的永磁旋转磁场发生器的研制

目的设计基于磁外科理念的钕铁硼永磁旋转磁场发生器,以方便探索旋转磁场生物学效应相关研究。方法首先,确定该发生器采用一体机身控制器、驱动器、伺服电机、行星减速机、A3钢转盘以及单级对磁铁方案;其次,对各元器件进行设计选型;最后,通过对电机扭矩、转动惯量进行校核计算验证该方案的可行性,并使用COMSOL软件进行了磁场分布、PC板罩上表面区域内磁通密度模最大值仿真。结果进行实物搭建,设备运行正常,实测PC板罩上表面区域内磁通密度模最大值与COMSOL仿真值得平均误差为4.1 mT,均方根误差为6.1 mT,表明计算仿真结果与实际结果基本一致。结论此方案集成度高,空间尺寸小,能实现无极调速,操作方便简单,磁性高、可移动、造价低,可广泛用于磁外科研究领域旋转磁场的生物学效应相关研究。

基于ASGSO的数控机床进给伺服系统分数阶控制

为满足数控机床对加工精度的要求,针对交流永磁同步电机驱动的进给伺服系统在不同工况下存在的扰动、摩擦、变负载、惯性力矩等非线性问题,设计一种自适应步长的萤火虫算法(ASGSO)优化的分数阶PID控制器(ASGSO-FOPID)。FOPID控制器相比传统控制器动态性能突出,能够对非线性环节进行更好的控制。利用ASGSO算法全局搜索能力,获得最优数控机床进给伺服系统分数阶PID控制器参数。建立数控机床进给伺服系统模型,分别采用PSO-FOPID、状态转移STA-FOPID、ASGSO-FOPID控制进给伺服系统进行对比。仿真和实验结果表明:提出的ASGSO-FOPID控制器具有跟踪速度快、抗干扰能力强、精度高等优点,该方法能够有效地提高数控机床的定位精度和加工精度。

基于反演终端滑模算法的目标定位转台伺服系统控制器设计

在目标定位转台伺服系统运行过程中,传动机构的齿轮间齿隙会导致驱动延时和响应迟滞,严重影响转台运行的稳定性。为此研究了一类具备齿隙的目标定位转台伺服系统跟踪控制问题,得出了一种新颖的基于反演终端滑模算法的控制方案。首先,建立目标定位转台伺服系统的状态空间模型,运用死区函数描述齿隙非线性,并设计连续可微函数对死区函数进行拟合;其次,利用反演控制方法和终端滑模控制方法,为伺服系统设计了虚拟控制器和实际控制器,利用Lyapunov理论证明了闭环控制系统的渐进稳定性;最后,搭建了仿真系统和实验平台,并与使用常规PID控制器的实验仿真结果进行对比,验证了文章所提出控制器的有效性和优越性。

基于SOGI-FLL的伺服传动系统谐振频率检测方法

在工业伺服控制领域,常采用陷波滤波器抑制机械谐振,而准确地获取谐振频率是谐振成功抑制的首要条件。采用二阶广义积分器-锁频环(SOGI-FLL)分析速度控制器输出信号以检测谐振频率。首先介绍了SOGI-FLL的基本结构及锁频环的工作原理,然后分析了幅值频率自适应SOGI-FLL的频率响应性能,最后通过仿真和试验验证了幅值频率自适应SOGI-FLL能准确且快速地测出谐振频率,将所测频率用于陷波滤波器参数设置,成功抑制了机械谐振。

永磁同步电机伺服控制(连载之六)不同位置给定信号下滑模控制性能研究

将滑模控制算法应用到永磁同步电机伺服控制系统的位置环中,可获得优越的位置阶跃响应。本文针对正弦与斜坡位置给定信号,研究滑模控制的性能,并从控制框图的角度将滑模控制与传统比例控制进行对比分析,以及仿真与实验验证。